Física para tod@s

Comenzamos con la introducción del flujo del campo eléctrico a través de una superficie y la presentación de la ley de Gauss, que se deduce de la ley de Coulomb y es una de las cuatro ecuaciones de Maxwell del Electromagnetismo. Esta ley proporciona un método práctico para el cálculo del campo eléctrico correspondiente a distribuciones de carga sencillas que posean una cierta simetría (esferas, cilindros, líneas, planos, etc.), haciendo uso del concepto matemático de superficie gaussiana, la cual es una superficie matemática cerrada imaginaria que debe contener al punto en el que queremos calcular el campo eléctrico y ser consistente con la geometría de la distribución de cargas considerada. Se calcula mediante esta ley el campo creado por una plano, una línea infinita, una esfera hueca, una esfera maciza o un cilindro muy largo, y además también se considerará que la carga puede o no estar uniformemente distribuida lo que implicará que la densidad de carga será o no constante, respectivamente.

Seguidamente se estudian los conductores en equilibrio electrostático y haciendo uso de la ley de Gauss se obtienen distintas propiedades de los mismos y se muestra como el potencial eléctrico es constante en todos los puntos de un conductor en equilibrio electrostático y, por tanto, que su superficie es una superficie equipotencial. De especial interés resulta el estudio del comportamiento de un conductor cuando se sitúa en un campo eléctrico externo, el poder de las puntas (campo eléctrico más intenso cerca de los puntos del conductor de menor radio de curvatura, como en los bordes o zonas puntiagudas) o el concepto de ruptura dieléctrica, es decir, el fenómeno por el cual muchos materiales no conductores se ionizan en campos eléctricos muy altos y se convierten en conductores.

En la última parte del tema se analiza la capacidad, los condensadores y los dieléctricos, y se lleva a cabo un análisis de las propiedades eléctricas de la materia desde los puntos de vista microscópico y macroscópico. Se estudia la capacidad de un condensador, dispositivo útil para almacenar carga y energía, y distintos tipos de condensadores como el de láminas planoparalelas, el cilíndrico y el esférico. Se analiza el almacenamiento de energía que se produce durante la carga de un condensador y se introduce el concepto de densidad de energía de un campo electrostático. La energía almacenada en un campo eléctrico es igual a la que se necesita para establecer el campo. Otras cuestiones a estudiar son la asociación de condensadores y las variaciones en la capacidad, el campo, el potencial y la carga eléctrica de un condensador cuando se introduce entre sus láminas un material dieléctrico, dependiendo si el condensador está aislado o no. Finalmente se estudian los dieléctricos desde un punto de vista microscópico y la variación de la capacidad de un condensador cuando se introduce un dieléctrico entre sus armaduras.

El presente tema tiene dos partes bien diferenciadas, una primera en la que se estudian corrientes eléctricas y campos eléctricas y una segunda dedicada a las corrientes eléctricas y los campos magnéticos.

Comienza con una descripción de la naturaleza de la corriente eléctrica, introduciendo los conceptos de intensidad (magnitud escalar) y densidad de corriente (magnitud vectorial), así como los de conductividad, resistividad y resistencia. A partir de estos conceptos se presenta la ley de Ohm  y los aspectos energéticos de las corrientes eléctricas. La existencia de una corriente eléctrica a través de conductores que constituyen un circuito eléctrico implica una disipación de energía en forma de calor por efecto Joule, por lo que para mantener una corriente son necesarios otros elementos que aporten energía eléctrica al circuito. Ésta es la función de los generadores, dispositivos capaces de transformar algún tipo de energía en energía eléctrica, y que vienen caracterizados por su fuerza electromotriz. Asimismo, se describe brevemente la utilización de los amperímetros y voltímetros..

Seguidamente se obtiene, a partir de la expresión de la  fuerza magnética sobre una carga en movimiento, la fuerza magnética que actúa sobre un conductor que transporta una corriente eléctrica. La acción de un campo magnético sobre un circuito plano se analiza a continuación, calculándose el momento de las fuerzas que actúan sobre el mismo y expresándolo en términos del campo magnético y del concepto de momento dipolar magnético de una espira, que es función del área de la espira y de la intensidad que circula por la misma. También se analiza el efecto Hall.

Por último se estudian las fuentes o causas del campo magnético. Se comienza con la presentación de la ley de Biot-Savart para un elemento de corriente que se aplica al cálculo de campos magnéticos producidos por algunas configuraciones de corriente comunes (corriente rectilínea indefinida, espira circular en su eje y solenoide) y a partir de las acciones mutuas entre dos corrientes rectilíneas indefinidas se define el amperio, unidad de la corriente eléctrica en el Sistema Internacional de Unidades.